6HS-6型山核桃破壳机的实验研究

朱德泉，曹成茂，*，方家文，江家伍，李 兵，丁正耀

（1.安徽农业大学工学院，安徽合肥230036；2.安徽省宁国市长乐林产品开发有限公司，安徽宁国242300）

6HS-6型山核桃破壳机的实验研究

朱德泉1，曹成茂1，*，方家文2，江家伍1，李 兵1，丁正耀1

（1.安徽农业大学工学院，安徽合肥230036；2.安徽省宁国市长乐林产品开发有限公司，安徽宁国242300）

为了使山核桃易于手工剥壳和食用方便，设计了6HS-6型山核桃破壳机，对其破壳性能进行了实验研究。通过单因素实验，确定了山核桃主滚筒转速、扭簧力和敲击臂与主滚筒间隙的适宜工作参数范围；通过3因素5水平二次回归正交实验，建立了各实验指标与实验因素间的回归数学模型，并利用多目标非线性优化方法，确定了山核桃破壳机最佳工作参数。实验结果表明：根据山核桃的大小和破壳前的含水率，选择最佳的破壳机主滚筒转速、扭簧力和敲击臂与滚筒间隙，可以提高山核桃破壳机的破壳效率，保证山核桃破壳质量。

破壳机，实验，工作参数，山核桃

山核桃（Carya cathayensis Sarg）是胡桃科（Juglandaceae）胡桃属植物，又名小胡桃、核桃楸，集中产于安徽宁国、绩溪、歙县和浙江临安、安吉、淳安等地［1-2］。山核桃仁中含有丰富的油脂、蛋白质和氨基酸以及大量的镁、磷、锌、铜、硒等矿物质元素［3-4］，具有较高的营养价值及调节血脂、预防冠心病、抑制肿瘤等药用价值，还兼有保健、美容等功效［5-6］。由于山核桃结构复杂、果壳坚硬，食用时难以用手剥开，需借助于专用工具，食用非常不方便。手剥山核桃的问世备受消费者的青睐，但现有手剥山核桃的加工主要靠人工采用专用工具把山核桃的外壳敲裂而不碎，同时保证果仁不开裂或破碎，达到“手剥”要求。这种方法生产效率低，成本高，而且易造成果仁破碎，加工质量难以保证［7］。目前市场上出现的山核桃破壳机械，主要采用冲床工作原理，逐个进行冲压破壳，在一定程度上降低了人工劳动强度。但由于冲压力不能调节，机具适应性差，对山核桃分级要求高，效率较低，加工后的山核桃破碎率较高［8］。为了克服现有手剥山核桃加工落后的现象，设计了一种6HS-6型手剥山核桃破壳机，并对其进行了实验研究。实验结果表明，该机对山核桃分级要求不高，加工后的山核桃破壳率高，仁破碎率低，保证了破壳质量，而且破壳效率高，大大提升了手剥山核桃破壳机械化生产水平。

1 机具结构与工作原理

1.1 结构

手剥山核桃主要由喂入、破壳、排料和传动等部分组成。喂入部分主要是料斗和喂入辊，为了提高喂料效果，在喂入辊表面开有沟槽。破壳部分由主滚筒、敲击臂、压杆滚筒组成，在主滚筒上有8行轴向半球形凹槽，每行有14个半球形凹槽，压杆滚筒有10个压杆；在敲击臂上有扭簧。传动部分由主动齿轮、皮带轮、三角皮带、从动齿轮、过桥齿轮等组成。6HS-6型山核桃破壳机结构如图1所示。

图1 6HS-6型山核桃破壳机结构示意图

1.2 工作原理

电机动力经减速器减速，经一级带传动带动压臂滚筒旋转；同时经过齿轮传动带动主滚筒旋转，压杆滚筒与主滚筒通过两个过桥齿轮传递动力，传动比为1∶1，以保证压杆滚筒与主滚筒的转速相同，转向相反。山核桃在喂入辊作用下由加料斗进入主滚筒的半球形凹槽中，压杆滚筒与主滚筒等角速度反向旋转，压杆滚筒上的压杆与敲击臂接触后带动敲击臂转过一定角度，同时压缩敲击臂扭簧，当压杆与敲击臂脱离接触时，敲击臂在敲击臂扭簧回复力的作用下击打半球形凹槽中的山核桃，改变敲击臂扭簧的限位销钉位置可调节敲击臂扭簧的初始压缩量，从而调节击打力，也可以更换不同弹性系数的弹簧，适应不同含水率和大小山核桃破壳要求，保证加工后的山核桃有许多裂纹但又不破碎，便于手剥食用；加工后的山核桃由出料口滑出，为防止敲击噪声太大在敲击臂头部与山核桃接触部分安装了橡胶减振垫。为适应不同大小和含水率的山核桃破壳要求，可以增加或减少橡胶减振垫的厚度，改变敲击臂头部与山核桃接触部分的间隙大小，从而调节打击的惯性力，使山核桃壳破裂而仁不碎。

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

山核桃 产自中国山核桃之乡—安徽省宁国市南极乡。

万用电炉 浙江上虞市通州实验仪器厂生产；TG725C型单盘分析天平 惠州市精汇电子科技有限公司生产，测量精度为±0.01g；HS881型电热恒温干燥箱 吴江精华烘箱电炉制造有限公司生产。

2.2 实验方法

先将采摘下来的山核桃去除青荚，蒸煮后在干燥箱内80℃下预烘干5min，使外壳含水率降到初始含水率的70%，从而使山核桃外壳和果仁具有一定的弹性变形和塑性变形的差异，这样在机械外力作用下壳更易破裂而仁不碎。选择短径方向尺寸为18.5±5.0mm，在长径方向尺寸为21.5±5.0mm的山核桃进行破壳实验。测得山核桃壳的平均厚度为1mm，山核桃梗的平均厚度为0.92mm，山核桃果壳和果仁之间的间隙平均值为0.2mm。破壳前的山核桃壳的平均含水率为 16.57%，仁的平均含水率为23.47%。

实验通过破壳速度、扭簧力和敲击臂与主滚筒间隙对山核桃破壳率、破碎率和合格率三个指标的影响，确定了山核桃破壳机主滚筒转速、扭簧力以及敲击臂与主滚筒间隙等工作参数。

2.3 破壳质量评价指标

破壳率：破壳山核桃质量占山核桃总质量之比。

破碎率：破碎山核桃质量占山核桃总质量之比。其中破碎山核桃是指施力过大，造成壳仁分离的山核桃。

合格率：破壳后符合手剥要求的山核桃质量占山核桃总质量之比。符合生产手剥要求的山核桃是指加工后不需借助于工具，能用手剥开壳，使壳仁能分离的山核桃。

3 结果与分析

3.1 单因素实验

3.1.1 主滚筒转速对破壳性能的影响 分别取主滚筒速度为3、9、15、21、27r/min五个因素水平，扭簧力为24N，敲击臂与滚筒间隙为110mm，在每一速度下各取山核桃200粒进行破壳实验。根据实验的破壳率、破碎率和合格率情况，综合评价破壳效果。主滚筒转速对破壳性能的影响如表1所示。

表1 主滚筒转速对破壳性能的影响

从表1可知，主滚筒转速越小，破壳率和破碎率越大，但主滚筒转速过小，会导致破碎率明显增加，从而影响产品总体质量。可能是主滚筒转速越小，敲击臂作用于山核桃的时间越长的缘故。所以主滚筒转速在9r/min与15r/min之间为宜。

3.1.2 扭簧力对山核桃破壳效果的影响 分别取扭簧力为12、18、24、30、36N五个因素水平，主滚筒速度为15r/min，敲击臂与滚筒间隙为110mm，在每一速度下各取山核桃200粒进行破壳实验。根据实验的破壳率、破碎率和合格率，综合评价破壳效果。扭簧力对破壳性能的影响如表2所示。

表2 扭簧力对破壳性能的影响

从表2可知，扭簧力越大，破壳率和破碎率越大，但扭簧力过大，会导致破碎率明显增加，产品合格率下降，主要是因为扭簧力越大，破壳力越大。在恰当的扭簧力作用下，使壳变形达到破裂而仁不碎。所以扭簧力在24N与30N之间为宜。

3.1.3 敲击臂与主滚筒间隙对山核桃破壳效果的影响 根据经验分别取敲击臂与主滚筒间隙为50、80、110、140、170mm五个因素水平，主滚筒速度为15r/min，扭簧力为24N，在每一速度下各取山核桃200粒进行破壳实验。根据实验的破壳率、破碎率和合格率进行综合评价。间隙对破壳性能的影响如表3所示。

从表3可知，敲击臂与主滚筒间隙越大，破壳率和破碎率越大，但敲击臂与主滚筒间隙过大，会导致破碎率明显增加，合格率下降。主要原因是间隙越大，敲击臂惯性力越大，使接触山核桃时的敲击臂速度越大，从而作用于山核桃上的破壳力越大。因此，敲击臂与主滚筒间隙在80mm与110mm之间为宜。

表3 间隙对破壳性能的影响

3.2 二次回归正交实验结果与分析

根据上述单因素实验以及分析结果，选取主滚筒转速（X1）、扭簧力（X2）和敲击臂与主滚筒间隙（X3）为实验因素，以破壳率（Y1）、破碎率（Y2）和合格率（Y3）为指标，进行3因素3指标二次回归正交实验，分析各指标与各个因素之间的量化关系，建立数学模型。将各因素按其水平及取值范围进行编码，得其因素水平表，如表4所示。二次回归正交实验结果如表5所示，实验重复三次，取各处理的平均值。

表4 正交实验因素水平表

根据3因素5水平正交实验结果，利用统计软件求解出回归数学模型，剔除一些不显著项，得出如下回归方程。

利用计算机对各指标与因素间的回归数学模型的拟合情况进行分析，得到方差分析结果，通过F检验得出各指标回归方程在各自的因素水平上是显著或极显著的，实验数据与回归数学模型拟合性比较好。F检验结果如表6所示。

表5 二次回归正交实验结果

通过对3指标回归系数进行检验，得出影响破壳率主次顺序为扭簧力（极显著）、敲击臂与主滚筒间隙（极显著）和主滚筒转速（显著）；影响破碎率主次顺序为敲击臂与主滚筒间隙（极显著）、扭簧力（极显著）和主滚筒转速（显著）；影响合格率主次顺序为扭簧力（极显著）、敲击臂与主滚筒间隙（极显著）和主滚筒转速（显著）。

表6 F检验结果

3.3 工作参数的优化与分析

为了得到破壳机的最优工作参数，利用多目标非线性优化方法，编制计算机优化程序进行计算，对所得的回归模型进行优化分析。

3.3.1 目标函数的确定 破壳率、破碎率和合格率在各自对应的约束条件下应达到最大值，能耗应达到最小值，即满足MaxY1，MaxY2和MaxY3，为多目标决策问题。

3.3.2 约束条件 破壳率、破碎率和合格率的值均应大于或等于零，且小于或等于100%，其对应的实验因素编码值限制在实验设计范围内取值。

3.3.3 优化结果及分析 根据已建立的回归数学模型，利用多目标决策理论及非线性优化方法，采用计算机规划求解分析方法，对模型优化求解。优化结果如表7。

由表7得，在较低的主滚筒转速、较大的扭簧力和敲击臂与主滚筒间隙的条件下，山核桃破壳率最高，达到98.4%；在较高的主滚筒转速、较小的扭簧力和敲击臂与滚筒间隙的条件下，山核桃破碎率最低，达到1.7%；而获得较高的山核桃产品合格率则需适当的工作参数，即在主滚筒转速为10r/min、扭簧力为29N、敲击臂与滚筒间隙为105mm时，产品合格率最高，达95.8%。

表7 优化结果

3.3.4 综合优化分析 本实验属于多指标正交实验，为便于分析采用加权评分法将指标化为综合加权计算指标。利用公式Y=λ1Y1+λ2Y2+λ3Y3计算综合加权评分值。根据山核桃产品加工要求，优先保证产品质量，其次考虑加工效率，取Y1、Y2和Y3的加权值λ1、λ2和λ3分别为0.20、0.40和0.40，对上述优化计算结果进行综合优化，得综合优化结果为：主滚筒转速为9r/min、扭簧力为25N、敲击臂与主滚筒间隙为95mm时得到3个目标函数综合最优值。经实验验证，山核桃的破壳率为98%、破碎率为2%、产品合格率为95%，综合评分为0.865。

4 结论

4.1 通过单因素实验与分析，确定了山核桃破壳机主滚筒转速、扭簧力和敲击臂与主滚筒间隙的适宜的工作参数范围。

4.2 经过3因素5水平二次回归正交实验与分析，确定主滚筒转速、扭簧力和敲击臂与主滚筒间隙对破壳率、破碎率和合格率有明显影响，而且不同因素对不同指标的影响程度不同。

4.3 破壳前果壳和果仁含水率不同，破壳机工作参数不同。利用多目标非线性优化方法，对破壳机工作参数进行综合优化，得到短径方向尺寸为18.5± 5.0mm、长径方向尺寸为21.5±5.0mm的山核桃，破壳前果壳的平均含水率为16.57%，果仁的平均含水率为23.47%时，其破壳最优工作参数为主滚筒转速为9r/min、扭簧力为 25N、敲击臂与滚筒间隙为95mm。

4.4 6HS-6型山核桃破壳机对山核桃分级要求不高，适应性强，破壳效率高，果仁破碎率低，破壳效果好，提高了手剥山核桃加工机械化水平，已通过农业机械产品和省级科技成果鉴定，并在皖南和浙西北地区山核桃加工企业推广应用。

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Experimental research on 6HS-6 type walnut shell cracking equipment

ZHU De-quan1，CAO Cheng-mao1，*，FANG Jia-wen2，JIANG Jia-wu1，LI Bing1，DING Zheng-yao1
（1.College of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China；2.Ningguo Langlelin Product Development Limited Company of Anhui，Ningguo 242300，China）

6HS-6 type walnut shell cracking equipment was designed to improve shell rind and eating convenience of walnut.lts shell cracking experiment was conducted.Through the single factor experiment，the proper working ranges of rotating velocity of roller，spring force and clearance between acting arm and roller were set up.By using the twice regression orthogonal experimental method with three factors and five levels，the regression mathematical models about experimental indices and factors were established.At last，the optimal combination of the parameters for walnut shell cracking was obtained through nonlinear optimization method with many targets.Experimental results showed that according to dimensions and water content of walnuts，optimal rotating velocity of roller，spring force and distance between acting arm and roller were selected to improve the shell cracking productivity and the quality of processed walnut.

shell cracking equipment；experiment；working parameter；walnut

TS255.6

A

1002-0306（2010）11-0304-04

2009-10-09 *通讯联系人

朱德泉（1969-），男，博士生，副教授，研究方向：农业机械化工程。

安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目（KJ2010D254ZD）。